Augmentation de l’absorption de dioxyde de carbone et de la sélectivité des structures métal-organique par substitution de métal : simulations moléculaires du LMOF-202
Le composé chimique NOTT-202, capable d’absorber sélectivement le dioxyde de carbone, est créé
Le nouveau matériau troué absorbe le CO2
Des chercheurs britanniques ont mis au point un matériau poreux qui peut préférentiellement absorber le CO2 de l’atmosphère.
NOTT-202 est un « cadre métallo-organique » qui fonctionne comme une éponge, absorbant un certain nombre de gaz à haute pression.
Mais à mesure que la pression est réduite, le CO2 est retenu alors que d’autres gaz sont libérés.
Le développement, rapporté dans Nature Materials , est prometteur pour la capture et le stockage du carbone, ou même pour l’élimination du CO2 des gaz d’échappement des centrales électriques et des usines.
Les structures métallo-organiques sont considérées comme des structures prometteuses pour piéger les gaz depuis un certain nombre d’années. Ils sont ainsi nommés parce qu’ils comprennent des atomes d’un élément métallique en leur cœur, entourés d’échafaudages de chaînes plus longues contenant du carbone.
Ces molécules complexes peuvent être amenées à s’assembler dans des cadres qui laissent des espaces adaptés à la capture des gaz.
Cependant, jusqu’à présent, de tels cadres ont été bons principalement pour collecter tout gaz qui les traversait; ceux qui étaient sélectifs pour le CO2 se sont révélés avoir une faible capacité de stockage du gaz.
« Augmenter la sélectivité pour le CO2 en présence de mélanges gazeux représente un défi majeur si ces systèmes doivent trouver des applications pratiques dans des conditions dynamiques », écrivent les auteurs.
Les recherches ont commencé dans les universités de Nottingham et de Newcastle, où les scientifiques ont découvert un système chimique qui semblait résoudre ce problème de stockage sélectif d’une quantité importante de CO2.
Mais pour être sûrs de ce qu’ils avaient, ils ont collaboré avec une équipe de la Diamond Light Source dans l’Oxfordshire et du laboratoire Daresbury du Science and Technology Facilities Council pour avoir un aperçu microscopique de ce qu’ils avaient créé.
En utilisant la diffraction des rayons X et des modèles informatiques détaillés, les chercheurs ont découvert que NOTT-202 est composé de deux cadres différents qui s’emboîtent de manière incomplète, laissant des espaces « nanopores » particulièrement adaptés à la collecte de CO2.
Cette structure en deux parties, selon les chercheurs, est une toute nouvelle classe de matériaux poreux.
En tant que tel, la recherche sur la façon dont des cadres appariés de manière similaire peuvent être créés peut aider les chercheurs à trouver une gamme de matériaux adaptés à l’absorption de gaz spécifiques.
Qu’est-il arrivé au captage du carbone ?
Le processus a été breveté dans les années 1930 et il est considéré comme l’une des technologies les plus importantes dont nous disposons pour lutter contre les émissions de gaz à effet de serre.
Alors vous pourriez bien demander : « Qu’est-il arrivé au captage et au stockage du carbone (CSC) ?
L’Agence internationale de l’énergie (AIE) prévoit que la demande énergétique mondiale augmentera d’au moins un tiers d’ici 2035.
La majorité de cette augmentation proviendra de la combustion de combustibles fossiles ; et sans capturer et stocker une partie des émissions de dioxyde de carbone (CO2) qui en résultent, cela implique un ajout significatif au réchauffement climatique.
Pour atteindre l’objectif internationalement convenu de maintenir l’augmentation de la température depuis l’époque préindustrielle en dessous de 2 ° C (3,6 ° F), l’AIE calcule qu’il devrait y avoir environ 1 500 centrales CSC à grande échelle en activité d’ici 2035.
Actuellement, il n’y en a que huit.
« Je pense que nous sommes un peu en retard là où nous devons être », déclare Brad Page, PDG du Global Carbon Capture and Storage Institute, avec un euphémisme laconique antipode.
« Et cela signifie que nous allons avoir besoin que les gouvernements interviennent et mettent en place des politiques de soutien pour l’énergie propre en général et aussi pour le CSC. »
Sous-évalué : Je parle à M. Page lors d’un séminaire à Bergen, en Norvège, auquel assistaient des sommités de l’industrie naissante qui sont venues voir la plus grande installation de recherche CSC au monde inaugurée à Mongstad, juste le long de la côte.
Un thème récurrent dans bon nombre de leurs présentations est que le soutien politique à la lutte contre le changement climatique a diminué depuis le sommet des Nations Unies sur le climat à Copenhague en 2009.
En Europe, le principal mécanisme conçu pour stimuler la production à faible émission de carbone est le système d’échange de quotas d’émission (ETS) et le prix qui impose l’émission de dioxyde de carbone.
« C’est très important, car si tout le monde se promène en pensant que les émissions sont gratuites, il n’y a aucune initiative pour y remédier », déclare Ola Borten Moe, ministre norvégien du Pétrole et de l’Énergie.
« Je pense donc qu’il est crucial que non seulement en Europe, mais ailleurs, les entreprises reçoivent un signal clair du marché. »
Le CSC rend l’électricité plus chère. Du carburant supplémentaire doit être brûlé pour conduire le processus de capture du CO2 des gaz de combustion de la centrale électrique et pour le pomper jusqu’à son lieu de repos dans le sous-sol profond.
Si le prix du carbone était élevé, les entreprises trouveraient moins cher d’exploiter des centrales électriques au charbon et au gaz équipées de CSC que de payer pour le CO2 émis par les centrales conventionnelles.
Cependant, le prix européen du carbone est désormais si bas – environ 7 euros (9 $) la tonne – que le seul signal qu’il envoie est « continuez à émettre ».
Le prix a chuté à cause de la récession et parce que les gouvernements européens ont fait pression contre le resserrement des plafonds d’émissions. Les bouchons robustes offrent un prix élevé du carbone.
Le nouveau prix du carbone en Australie s’élèvera à 23 dollars la tonne et devrait encore baisser – également trop bas pour inciter les entreprises à investir dans le CSC.
Donc, dans l’état actuel des choses, rien n’indique que la tarification du carbone va entraîner une expansion du CSC.
La technologie dominante est encore la plus ancienne – l’absorption du dioxyde de carbone par les amines liquides
Si le prix du carbone était le seul moteur du changement, la plupart des énergies renouvelables s’effondreraient également – tout comme le nucléaire, selon toute probabilité.Mais en Europe et ailleurs, de nombreux gouvernements soutiennent les énergies renouvelables avec des subventions substantielles, délivrées sous plusieurs formes.En conséquence, l’installation d’énergie éolienne a augmenté dans le monde de 27 % par an au cours de la période 2005-10, et le solaire photovoltaïque d’un étonnant 56 % par an. Mais les gouvernements ne soutiennent pas le CSC de la même manière.
Il y a là une ironie, car des rapports successifs d’agences internationales et nationales suggèrent que l’électricité provenant de centrales électriques au charbon ou au gaz équipées de CSC sera probablement moins chère que les parcs éoliens offshore et les panneaux solaires – et dans certains cas, selon hypothèses sur les prix du carburant, aussi bon marché que l’éolien terrestre.
« Vous envisagez une augmentation de 70 à 100 % du coût de production de l’électricité grâce à l’installation du CSC ; mais en termes de coût de l’électricité livrée [au client], cela augmente disons de 30 % », déclare Howard Herzog du Massachusetts. Institute of Technology, qui fait des recherches sur la technologie depuis plus d’une décennie.
« Les énergies renouvelables reçoivent probablement le plus de soutien du gouvernement en termes de subventions à la production ; si le CCS recevait certaines des mêmes subventions, je pense que vous verriez beaucoup plus de projets. »
Au lieu de cela, le soutien gouvernemental au CSC prend généralement la forme de subventions ponctuelles pour la construction. 
Le plus important était les 3 milliards de dollars promis par le président Barack Obama dans le cadre du plan de relance économique américain. Mais la Chine, la Corée du Sud, le Japon, le Canada et le Royaume-Uni sont également à divers stades d’investissement.
Un rapport récent du UK Energy Research Council a montré que le Royaume-Uni a un potentiel abondant pour stocker le CO2 sous les fonds marins – créant potentiellement une nouvelle entreprise prenant les gaz résiduaires des régions les plus enclavées d’Europe.
Cependant, la baisse du prix du carbone a considérablement réduit les projets de la Commission européenne de financer jusqu’à 12 projets à travers le continent. Il est désormais probable qu’il n’en supporte qu’une poignée.
Augmentation des revenus : Dans ce contexte, vous vous demandez peut-être pourquoi il existe jusqu’à huit projets de CSC à grande échelle dans le monde. Les réponses sont qu’aucune n’est installée sur les centrales électriques et qu’elles gagnent toutes de l’argent d’autres manières. Le projet le plus ancien est le champ gazier de Sleipner au large des côtes norvégiennes.
La taxe carbone norvégienne signifie qu’il est moins cher pour l’entreprise concernée, Statoil, d’extraire et d’enfouir le CO2 contenu dans le gaz naturel que de le rejeter dans l’atmosphère. Cinq des autres installations pompent le CO2 dans les puits de pétrole, augmentant la pression et permettant aux opérateurs de récupérer plus de pétrole – un avantage si important qu’ils sont prêts à payer environ 40 $ la tonne.
Cinq des sept usines en construction utiliseront également le CO2 capturé pour la récupération assistée du pétrole (EOR). « Si nous pouvons accélérer la technologie par EOR, c’est merveilleux », a déclaré Bjorn-Erik Haugan, PDG de l’agence nationale norvégienne de CSC Gassnova, aux délégués du séminaire. »Mais nous ne devons pas confondre cela avec la lutte contre le changement climatique. »
Planter un rêve : Alors que les gouvernements se débattent avec des questions financières, des ingénieurs du milieu universitaire et du secteur des entreprises explorent diverses idées pour rendre le CSC plus efficace et donc moins cher. La plus grande attention se concentre sur la partie capture du processus, qui est la plus énergivore.
L’idée est en partie d’affiner l’approche reconnue pour la première fois dans les années 1930, qui exploite l’affinité chimique entre le dioxyde de carbone et les molécules à base d’azote telles que l’ammoniac ou les amines étroitement apparentées. Mais d’autres technologies de capture à base de fines membranes sont également en développement. Pendant ce temps, d’autres approches complètement différentes consistent à brûler du charbon dans de l’oxygène pur (oxycombustible), ou à le transformer en un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène, qui est ensuite brûlé.
Ceux-ci permettent une extraction beaucoup plus facile du CO2 ; mais le traitement supplémentaire consomme toujours plus d’énergie.
Parce que ces deux approches nécessitent des installations totalement nouvelles, elles ont reçu moins d’attention que les technologies de captage post-combustion telles que les amines, qui peuvent être installées à l’extrémité des centrales existantes.
Une autre idée plus radicale est appelée bouclage chimique. Il s’agit d’apporter de l’oxygène au combustible non pas sous forme de gaz, mais lié à un métal tel que le fer ou le calcium, et devrait en principe rendre la combustion plus efficace.
La mesure dans laquelle ces progrès dépendent probablement moins des ingénieurs que des programmes de soutien économique que les politiciens peuvent développer.
Dans une certaine mesure, cela dépend aussi des groupes environnementaux et du public.
Le Parti Vert du Royaume-Uni, par exemple, a peu de temps pour le CSC qu’il considère comme une distraction non prouvée des énergies renouvelables et de l’amélioration de l’efficacité énergétique ; et en Allemagne, les préoccupations des populations locales concernant les effets néfastes du stockage souterrain du CO2 ont récemment forcé l’annulation du projet d’enfouissement du CO2 à Jaenschwalde.
Mais d’autres soulignent que le CSC est capable d’éliminer la production de CO2 d’industries telles que le ciment et l’acier, ainsi que la production d’électricité, encore une fois en l’absorbant des gaz résiduaires.
Dans cette vision, les cultures absorbent le CO2 pendant leur croissance ; mais le CO2 dégagé lors de leur combustion est capté et enfoui. La production d’électricité devient un absorbeur net de CO2 plutôt qu’un émetteur net.
La Norvège vise le leadership carbone
« Bienvenue en Norvège, bienvenue à Mongstad ; et bienvenue à un grand et important jour. »
Le Premier ministre norvégien Jens Stoltenberg n’a pas hésité à utiliser les superlatifs en inaugurant officiellement l’installation d’essais de captage du carbone à Mongstad près de Bergen, sur la côte ouest de la Norvège.
« Nous ouvrons aujourd’hui le laboratoire le plus grand et le plus avancé au monde pour tester les technologies de capture du carbone… un centre de test unique pour relever l’un des plus grands défis de notre époque. »
Un trompettiste a pulvérisé des notes lumineuses et aérées, une chorale d’enfants locaux a chanté et tout semblait rose dans le monde du captage et du stockage du carbone (CSC).
À l’extérieur du chapiteau chauffé où M. Stoltenberg et ses collègues dignitaires se sont effondrés, des tours jumelles se sont élevées dans le ciel norvégien humide, chacune abritant l’une des technologies qui seront testées en premier.
« Ce centre va prouver comment nous pouvons capturer le CO2 de manière rentable et efficace à partir d’éléments tels que les gaz de combustion ou les processus de raffinage », a déclaré Andy Brown, cadre supérieur de Shell, lors de notre visite de l’usine.
« Ainsi, nous pouvons tester de nouvelles substances pour capturer le CO2, que nous pouvons ensuite injecter sous la surface, dans le réservoir et le garder enfermé pour toujours. »
Bien que Technology Center Mongstad (TCM) soit principalement détenu par l’État norvégien via son agence CCS Gassnova et sa participation majoritaire dans la société pétrolière et gazière Statoil, plusieurs autres sociétés, dont Shell, ont pris une part.
Ils espèrent que les connaissances acquises ici pourront amener la technologie là où elle doit être afin d’apporter une contribution significative à la lutte contre le changement climatique – et selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), elle devrait apporter une contribution aussi importante que les énergies renouvelables.
Prenant la longue route
La MTC a mis du temps à venir.
Le gouvernement norvégien et Statoil ont convenu de commencer à le construire en 2006. Le coût final s’est élevé à environ 1 milliard de dollars, soit 10 fois plus que prévu. De nombreux gouvernements, même aussi riches que celui de la Norvège, auraient pu reculer face à l’escalade des coûts. Mais la centrale électrique de Mongstad, qui sera l’une des sources de gaz chargé en CO2 de l’installation, a l’habitude de réclamer des scalps politiques. En 2000, le Premier ministre Kjell Magne Bondevik a démissionné parce que s’il insistait pour que la centrale électrique alors en construction soit équipée de CSC, ses partenaires de la coalition n’étaient pas d’accord.
Selon Frederic Hauge, président du groupe environnemental norvégien Bellona, l’échec de la construction de TCM entraînerait la chute du gouvernement actuel.
« Ce que nous avons ici, c’est une situation où ce gouvernement s’effondrera s’il ne le met pas en œuvre, car le parti socialiste démissionnera », a-t-il déclaré à BBC News.
« Cela aide à donner un élan politique.
« Ensuite, nous avons une énorme acceptation politique en raison du travail accompli par le mouvement écologiste. Dans de très nombreux endroits en Europe, vous avez un mouvement écologiste qui ne dit que ce contre quoi il est ; nous devrions le faire, mais nous devons également promouvoir ce que nous sont pour. »
Bellona a décidé il y a de nombreuses années qu’elle était en principe en faveur du CSC.
La production de pétrole et de gaz de la Norvège représente environ 3 % des combustibles fossiles mondiaux, calcule-t-il ; et étant donné que l’économie signifie que le pétrole et le gaz vont être brûlés, quelle autre solution existe-t-il ?
Solution gaz : L’installation de Mongstad est appropriée, compte tenu de la longue tradition d’innovation de la Norvège dans le domaine de l’environnement. « Nous avons vu en Norvège plus d’une fois qu’ils ont pris une position très courageuse, par exemple sur le prix du CO2 dans les années 1990, et maintenant nous voyons que d’autres les suivent », déclare Maria van der Hoeven, directrice exécutive de l’AIE.
« C’est une sorte de pays pilote à cet égard. »
La taxe carbone a également conduit la Norvège à développer le premier projet de capture de carbone à grande échelle au monde – ne prenant pas le CO2 d’une centrale électrique, mais l’extrayant du gaz naturel provenant du champ offshore de Sleipner, propriété de Statoil.
Le gaz Sleipner contient jusqu’à 9% de CO2, très élevé pour un puits de gaz. Dans le cadre de la taxe carbone norvégienne, Statoil devrait payer tellement que l’extraire, le canaliser sur 4 km et l’enterrer sous le lit de la mer du Nord est une alternative économique.
Mais c’est l’un des rares cas où l’économie du CSC s’additionne.L’adaptation de la technologie existante aux centrales électriques au charbon ou au gaz les rend moins efficaces. Il faut de l’énergie pour piloter les processus de CSC, de sorte que la centrale électrique doit brûler plus de carburant pour produire la même quantité d’électricité.
Le coût principal réside dans la partie capture du processus, et c’est l’objectif de TCM.
« Si nous prenons une centrale à gaz moderne en Norvège, comme celle de la côte sud-ouest à Karsto, le rendement est généralement de 59 % », explique Olav Falk-Pedersen, responsable technologique de TCM.
« Lorsque nous installons l’unité de captage du CO2 et que nous incluons le transport [du CO2], l’efficacité chute à environ 50 %.
« C’est là où nous en sommes pour le moment. Ce que nous visons, c’est de réduire cela afin que nous puissions atteindre une efficacité de 54% ou quelque chose comme ça. »
Selon lui, ce changement pourrait faire du CSC un investissement plus acceptable pour certaines des centaines de centrales électriques à combustible fossile qui seront construites dans le monde au cours des prochaines décennies. L’objectif immédiat de la recherche est sur les technologies à base de liquide, les plus anciennes et les mieux établies.
Dans la tour de 60 mètres qui domine l’horizon de Mongstad, une amine liquide – un parent de l’ammoniac – s’écoule à travers un ensemble complexe de chicanes métalliques.
En descendant, le gaz contenant du CO2 s’écoule vers le haut. La tâche de l’amine est de capturer le CO2 et de le retenir en solution.
Les chicanes augmentent la surface sur laquelle le liquide et le gaz sont en contact.
« Si vous le comparez à votre poumon, vous pompez du sang pour faire entrer de l’oxygène dans votre corps ; et si vous êtes en forme, vous avez un gros poumon, une grande surface, pour pouvoir absorber une certaine quantité d’oxygène », explique M. Falk-Pedersen.
« Dans cette tour, la surface liquide est la même que celle de huit terrains de football, c’est donc une très grande surface. »
Lorsque le gaz atteint le sommet de la tour d’amine et s’échappe dans l’atmosphère, il a perdu environ 90 % de son CO2.
L’amine est ensuite chauffée à la vapeur, libérant le CO2 qui est capté et peut être envoyé au stockage. TCM testera un procédé aux amines appartenant à Aker Clean Carbon pendant 14 mois.
A côté de cette usine se trouve une autre installation utilisant de l’ammoniac réfrigéré comme solvant, développée par Alstom.
TCM vient d’inviter d’autres entreprises à installer des équipements qu’elles souhaitent tester, et espère en obtenir davantage sur le site – peut-être jusqu’à cinq ou six.
L’offre unique du site est que les ingénieurs peuvent tester leurs processus sur le gaz avec pratiquement n’importe quelle combinaison de concentration de CO2, de température et de pression.
Les gaz de combustion provenant de la centrale électrique voisine de Dong Energy contiennent environ 3 % de CO2, tandis que le tuyau du craqueur de la raffinerie de Mongstad de Statoil en contient environ 13 %. Cela signifie que le gaz peut être livré aux systèmes de capture avec tout ce que les opérateurs souhaitent en termes de concentration de CO2, de température et de pression, permettant des tests dans des conditions réelles.
Son succès dépendra en partie de l’innovation que les partenaires de Mongstad apporteront au site – allant potentiellement au-delà des solutions à base de solvants vers des technologies plus radicales.
Mais pour Jens Stoltenberg, l’échec n’est pas une option.
« Le monde a besoin de plus d’énergie pour créer le développement et la croissance économique, pour sortir des millions de personnes de la pauvreté », dit-il à la foule rassemblée, les tours de Mongstad scintillant derrière lui.
« Nous devons réduire les émissions, et nous devons augmenter la production d’énergie, en même temps.
« La technologie de capture du carbone est essentielle. »
Samedi, dans la deuxième partie de son reportage sur la Norvège, Richard se penchera sur les contraintes économiques et politiques qui pèsent sur le développement du captage et du stockage du carbone et sur les perspectives de nouvelles approches technologiques
Augmentation de l’absorption de dioxyde de carbone et de la sélectivité des structures métal-organique par substitution de métal : simulations moléculaires du LMOF-202
Les cadres organométalliques (MOF) sont des matériaux poreux prometteurs pour l’adsorption du CO 2. Nous rapportons ici l’étude d’un MOF luminescent (LMOF), appelé LMOF-202. Nous avons utilisé des simulations Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) pour comprendre et expliquer les phénomènes d’adsorption à l’intérieur du LMOF-202, et sur la base des phénomènes se produisant au niveau moléculaire, nous avons fait varier les ions métalliques dans le LMOF-202 pour augmenter l’affinité du CO 2 et la sélectivité du matériau. Nous montrons que la capacité et la sélectivité d’adsorption du CO 2 peuvent être augmentées d’environ 1,5 fois à 1 bar et 298 K en changeant l’ion métallique de Zn en Ba. Nous rapportons également la faisabilité d’utiliser ce matériau pour capter le CO 2des fumées dans des conditions réalistes (1 bar et 298 K). Ce travail montre que LMOF-202 mérite d’être considéré comme un adsorbant de capture de carbone.
Introduction : Le réchauffement climatique est une préoccupation majeure au 21e siècle, et la recherche de solutions à ce problème nécessite des efforts importants. Le principal facteur du changement climatique est l’augmentation continue de la concentration de CO 2 dans l’atmosphère terrestre. Le CO 2 est principalement rejeté dans l’atmosphère par la combustion de combustibles fossiles. Par conséquent, il est crucial de capter le CO 2 pour réduire les émissions de gaz à effet de serre.Récemment, la séparation du CO 2 par adsorption dans des matériaux poreux est devenue intéressante car d’autres techniques, telles que l’absorption dans des liquides, sont énergivores et moins efficaces.Le matériau idéal pour le captage du CO 2 en postcombustion doit avoir les trois propriétés suivantes :(1) une faible chaleur d’adsorption, (2) une capacité et une sélectivité d’adsorption élevées, et (3) une stabilité en présence d’humidité. Les cadres organométalliques (MOF) pourraient être des adsorbants appropriés pour le CO 2 car ils ont de grands volumes de pores et de grandes surfaces. Les MOF sont donc devenus le centre de la recherche sur l’adsorption du CO 2 en raison de leur bonne stabilité, de leur porosité et de la facilité avec laquelle leur taille de pores, leur volume de pores et leur surface peuvent être adaptés.Yazaydin et al. ont rapporté une étude comparative de 14 MOF pour le captage du CO 2 des fumées,et ils ont montré que la série M\DOBDC (M = Zn, Mg, Ni ou Co) étaient les matériaux les plus performants pour l’adsorption du CO 2 parmi tous les MOF étudiés dans l’article. Keskin et al. ont effectué un examen complet de l’adsorption du CO 2 dans les MOF et ont comparé les MOF en fonction de leurs chaleurs d’adsorption, ainsi que des capacités et sélectivités d’adsorption du CO 2 .Cependant, ils ont souligné que les caractéristiques de séparation du CO 2 des MOF en présence d’humidité et de N 2 doivent être étudiées pour permettre d’exploiter tout le potentiel des MOF. Plusieurs études sur l’adsorption du CO2 dans des conditions humides ont été rapportéesmais les rapports sur ce phénomène en présence d’autres composants des gaz de combustion tels que l’O2 sont encore rares. L’adsorption du CO2 dans les MOF peut être ajustée par la manipulation de leurs cations métalliques, des lieurs organiques et des groupes fonctionnels. De nombreux rapports étudient les effets de la modification des cations métalliques sur les propriétés MOF.Cependant, il n’y a souvent aucune justification pour le choix du métal. La synthèse et l’étude systématiques des MOF utilisant chaque métal du tableau périodique seraient fastidieuses. Heureusement, les simulations moléculaires sont un outil efficace pour cribler diverses combinaisons de métaux. Les simulations peuvent être utilisées pour obtenir des informations au niveau moléculaire sur le processus d’adsorption et, ainsi, optimiser la structure MOF afin de maximiser la capacité et la sélectivité d’adsorption. En outre, il est possible de tirer parti des simulations moléculaires pour explorer des scénarios qui ne peuvent pas être étudiés expérimentalement. Par exemple, Walton et al. ont prouvé que l’inflexion de l’isotherme d’adsorption de CO2 d’IRMOF-1 est due aux interactions électrostatiques entre les molécules de CO2 .Pendant ce temps, Yang et Zhong ont découvert que les interactions électrostatiques sont responsables de l’amélioration de la sélectivité du CO2 dans les mélanges à plusieurs composants.Ces études servent de base au choix des atomes métalliques pour l’échange de métaux. De nombreuses études ont combiné des simulations moléculaires avec des résultats expérimentaux pour améliorer la compréhension des interactions entre les MOF et les molécules de CO2 .
Dans ce travail, nous avons étudié M-LMOF-202 (M = Be, Ca, Ni, Cu, Zn et Ba) pour l’adsorption de CO 2 . Le Zn-LMOF-202 a été signalé pour la première fois par Hu et al., Qui l’ont utilisé pour détecter des explosifs nitrés aliphatiques peu volatils, tels que la 1,3,5-trinitroperhydro-1,3,5-triazine (RDX).Ma et al. étudié à la fois Zn-LMOF-202 et Zn-LMOF-201 ;les deux sont isostructuraux mais le cadre de Zn-LMOF-202 est rigide, tandis que celui de Zn-LMOF-201 est flexible. Ils ont découvert que la flexibilité du LMOF-201 est due à l’ajout d’un atome d’oxygène à la structure, et cette flexibilité doublait la quantité de CO2 adsorbée à saturation par rapport à celle du LMOF-202. Ici, nous décrivons une approche pour choisir le métal optimal pour améliorer la capacité d’adsorption du CO2 . En utilisant les calculs du Grand Canonical Monte Carlo (GCMC), nous montrons comment les interactions électrostatiques et de van der Waals affectent le CO2adsorption dans M-LMOF-202. Sur la base de ces résultats, nous suggérons le métal le plus approprié pour améliorer les performances du M-LMOF-202. Cependant, la capacité d’adsorption n’est pas le seul critère de sélection d’un matériau adapté à une utilisation pratique. La séparation industrielle du CO2 implique des mélanges de gaz, il n’est donc pas suffisant de discuter de l’adsorption de CO2 pur , et les performances des matériaux dans les mélanges de gaz dans des conditions de fonctionnement industrielles doivent également être étudiées. Ainsi, nous avons évalué les performances du M-LMOF-202 pour la séparation du CO2 des mélanges de gaz de combustion. La composition typique d’un gaz de combustion généré après la combustion de combustibles fossiles est de 70 à 75 % N 2 , 15 % CO2 , 3 à 4 % O2, et 5 à 7 % d’humidité et traces d’autres espèces (SO x et NO x ).Parce que les gaz de combustion contiennent principalement du N 2 et du CO2 , la sélectivité CO2 /N2 est le facteur dominant et les chercheurs concentrent leurs efforts pour découvrir de nouveaux matériaux qui ont une sélectivité CO2 /N2 supérieure .
La chaleur d’adsorption est également critique dans la conception de systèmes de capture de CO2 basés sur l’adsorption . Par conséquent, nous avons comparé la sélectivité CO2 /N 2 et les chaleurs d’adsorption du M-LMOF-202 avec différents ions métalliques par rapport au Zn-LMOF-202 dans des conditions de fonctionnement standard (1 bar et 298 K). Nous avons également évalué l’impact de l’O2 sur l’élimination du CO2 .
Résultats et discussion : Pour valider les paramètres de simulation GCMC, nous avons reproduit les isothermes d’adsorption à l’aide de GCMC et les avons comparées aux résultats expérimentaux précédemment publiés.La figure 1 a, b montre une comparaison entre les résultats expérimentaux d’adsorption de CO 2 et de N 2 pour le Zn-LMOF-202 avec ceux des simulations. La simulation, cependant, surestime considérablement la capacité expérimentale.
Figure 1 Comparaison des isothermes simulées et expérimentales de (a) adsorption de CO 2 à 195 K et (b) adsorption de N 2 à 77 K dans Zn-LMOF-202.
Conclusion : En conclusion, nous avons démontré avec succès une approche informatique pour identifier les facteurs responsables de l’adsorption de CO 2 dans M-LMOF-202. Grâce à nos calculs, d’abord, nous avons déterminé que l’affinité entre le CO 2 et la charpente du M-LMOF-202 sont responsables de l’adsorption à basse pression (≤1 bar), alors que le volume poreux détermine la capacité d’adsorption à saturation à haute pression (ca .15 bars). Sur la base de ces observations, les ions métalliques ont été modifiés et nous avons réduit la liste des métaux potentiels à deux : Ba et Be. Ba-LMOF-202 a été prédit comme le candidat le plus prometteur pour le CO 2adsorption à basse pression (≤ 1 bar), mais cela a changé pour Be-LMOF-202 à haute pression (environ 15 bar). Par la suite, nous avons sélectionné Ba-LMOF-202 pour l’élimination simulée du CO 2 des gaz de combustion et avons constaté que Ba-LMOF-202 surpasse Zn-LMOF-202 en termes de sélectivité et de capacité d’adsorption. Cependant, nous avons également constaté que la chaleur d’adsorption du CO 2 pour le Ba-LMOF-202 est supérieure à celle du Zn-LMOF-202, ce qui suggère que plus d’énergie est nécessaire pour la régénération du Ba-LMOF-202 (pour éliminer le CO 2de Ba-LMOF-202) dans des systèmes réels. Nous avons également analysé le comportement du matériau en présence d’oxygène. Par calcul, l’oxygène s’est avéré n’avoir aucun impact sur l’adsorption, ce qui indique l’adéquation du M-LMOF-202 à un usage industriel. Tous les résultats indiquent clairement que le Ba-LMOF-202 est plus adapté à l’adsorption du CO 2 que le Zn-LMOF-202 dans des conditions réalistes, ce qui devrait guider les explorations expérimentales à l’avenir. En outre, l’approche décrite ici peut être utilisée pour la conception et l’évaluation de la faisabilité d’une large gamme de MOF en tant qu’adsorbants pour d’autres adsorbats. Cette approche sera efficace pour réduire le temps nécessaire à la conception expérimentale et aux tests de MOF appropriés, ainsi qu’à l’optimisation de leurs propriétés basées sur l’application.
https://www.bbc.com/news/science-environment-18396655
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